автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Повышение топливной экономичности дизель-генераторных установок тепловозов в эксплуатации за счет оптимальной настройки их тепловозной характеристики

На правах рукописи

ХАН РЕН ИР

ПОВЫШЕНИЕ ТОПЛИВНОЙ ЭКОНОМИЧНОСТИ ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРНЫХ УСТАНОВОК ТЕПЛОВОЗОВ В ЭКСПЛУАТАЦИИ ЗА СЧЕТ ОПТИМАЛЬНОЙ НАСТРОЙКИ ИХ ТЕПЛОВОЗНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Специальность 05.22.07 -«Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ОМСК 2005

Работа выполнена в Омском государственном университете путей сообщения.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор ВОЛОДИН Александр Иванович.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор ВЕДРУЧЕНКО Виктор Родионович; кандидат технических наук, доцент МАКУШЕВ Юрий Петрович.

Ведущая организация:

Самарская государственная академия путей сообщения.

Защита диссертации состоится «/О» lA/j'CHJk, 2005 г. в ¡1 часов на заседании диссертационного совета Д 218.007.01 при Омском государственном университете путей сообщения (ОмГУПСе) по адресу: 644046, г. Омск, пр. Маркса, 35, ауд. 112 (тел./факс - (3812) 31-13-44; E-mail: omgupsloc@mail.ru).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан 2005 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять в адрес диссертационного совета Д 218.007.01.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук,

профессор

Г. П. Маслов.

Омский гос. университет путей сообщения, 2005

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Железнодорожный транспорт является крупнейшим потребителем энергоресурсов. Затраты на топливно-энергетические ресурсы (ТЭР) составляют в целом по сети железных дорог России примерно 11,2 % от общеотраслевых эксплуатационных расходов, из них на тягу поездов расходуется 72,2 %.

В соответствии с программой «Энергетическая стратегия ОАО «РЖД» на период до 2010 г. и на перспективу до 2020 г.», разработанной во исполнение указаний МПС России № 187у от 26.11.02 и № 88у от 16.06.03, одним из направлений работы принято совершенствование тягово-энергетических характеристик локомотивов.

В условиях реформирования отрасли большое значение приобретают вопросы повышения эксплуатационных технико-экономических показателей современных тепловозов, от уровня настройки которых зависит количество потребляемого топлива. В связи с этим повышение топливной экономичности тепловоза в эксплуатации за счет его настройки является важной задачей.

Цель работы - разработка методики расчета и выбора оптимального уровня тепловозной характеристики дизель-генераторных установок (ДГУ) в зависимости от режимов работы и условий эксплуатации тепловоза. Для достижения поставленной цели решены следующие задачи: проведен анализ условий эксплуатации тепловозов по сети железных дорог Восточного региона России и получено распределение времени работы тепловозов в зависимости от климатических и нагрузочных условий эксплуатации;

разработана методика математического описания универсальных характеристик ДГУ тепловозов;

определены математические зависимости удельного расхода топлива от мощности тепловоза для широкого спектра режимов работы ДГУ 10Д100,5Д49 иПД1М;

предложены критерии выбора оптимального уровня тепловозной характеристики, обеспечивающей минимальный расход топлива;

разработана методика выбора оптимального уровня тепловозной характеристики;

получена оптимальная тепловозная характеристика для заданных условий эксплуатации тепловоза ТЭМ2 на Омском отделении Западно-Сибирской железной дороги (ЗСЖД).

рассчитан технико-экономический эффект от применения рекомендаций по настройке оптимального уровня тепловозной характеристики для заданных условий эксплуатации тепловоза ТЭМ2 на Омском отделении ЗСЖД.

Объект исследования - ДГУ тепловозов 2ТЭ10М, 2ТЭ116 и ТЭМ2.

Основные методы научных исследований. Теоретические исследования по оптимизации тепловозной характеристики ДГУ выполнены на основе методов статистического моделирования, применения регрессионного анализа и метода наименьших квадратов. Обработка результатов математического моделирования выполнена с помощью ПЭВМ и программы Ма&САБ.

Научная новизна. В диссертационной работе

получено распределение времени работы тепловозов в зависимости от нагрузки и климатических условий;

разработана математическая модель универсальных характеристик ДГУ тепловозов, позволяющая получить аналитические зависимости вида

где величины - параметры, зависящие от номера позиции

контроллера машиниста (частоты вращения п). Математическая модель, представленная в виде приводит задачу выбора оптимальной тепловозной характеристики к оптимизации по одному параметру;

определены зависимости Ье = а„, ОТ/, а¡) для ДГУ 10Д100, 5Д49 и ПД1М;

предложена методика расчета оптимального уровня тепловозной характеристики для заданных условий эксплуатации тепловоза.

предложена методика выбора оптимального уровня тепловозной характеристики.

Достоверность научных положений и выводов подтверждается использованием современных математических методов и оценкой адекватности разработанной математической модели. Полученные расчетные значения имеют погрешность в сравнении с опытными универсальными характеристиками не более 1 %.

Практическая ценность работы. Разработанная методика расчета и выбора оптимального уровня тепловозной характеристики позволяет для любых заданных условий эксплуатации тепловозов подобрать такой уровень настройки ДГУ на реостатных испытаниях, который обеспечивает минимальный расход топлива в эксплуатации.

Реализация результатов работы. Основные результаты работы и полученная оптимальная тепловозная характеристика для заданных условий эксплуатации тепловоза ТЭМ2 внедрены в локомотивном депо Омск ЗСЖД.

Апробация работы. Основные результаты исследований по оптимизации настройки ДГУ тепловозов докладывались и обсуждались на научно-технической конференции «Общие и комплексные проблемы технических и прикладных наук» (Омск, 2004); пятой международной научно-технической конференции «Методы и алгоритмы прикладной математики в технике, меди-

цине и экономике» (Новочеркасск, 2005); научно-технических семинарах кафедры «Локомотивы» ОмГУПСа в 2003 - 2005 гг.

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в пяти научных статьях.

Структура и объем диссертации

Работа состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка использованных источников (106 наименований), содержит 54 рисунка и 35 таблиц. Общий объем работы - 177 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, определены цель, задачи и методы исследования, указана научная новизна и практическая ценность полученных результатов.

В первой главе проводится анализ условий эксплуатации тепловозов. Анализируются климатические и нагрузочные условия эксплуатации тепловозов на сети железных дорог Восточного региона России, в частности на Забайкальской, Дальневосточной, Сахалинской (Забайкальская зона), Свердловской, Южно-Уральской железных дорогах и на всех железных дорогах Западной и Восточной Сибири (Сибирская зона).

Установлено, что в Сибирской зоне тепловозы более 50 % годового времени работают в интервале отрицательных температур от 0 до минус 40 °С, а в Забайкальской - более 70 % в области температур от 0 до минус 45 °С.

В результате анализа режимов нагрузки ДГУ тепловозов в эксплуатации получено распределение времени их работы. Время работы тепловозов на восточном полигоне железных дорог в режиме холостого хода составило дли ТЭМ2 65 %, для 2ТЭ10М и 2ТЭ116 - 60 % от суммарного времени их эксплуатации. При этом непроизводительно расходуется более 8 % дизельного топлива от общего расхода на тягу поездов.

В режиме нагрузки тепловозы ТЭМ2 наибольшее время (21 %) работают на 1-й - 4-й позициях контроллера машиниста, что соответствует мощности ДГУ 25 - 230 кВт, а тепловозы 2ТЭ10М и 2ТЭ116 30 % времени используют на 5-й - 11-й позициях при мощности 600 - 1350 кВт, на которых правилами ремонта и инструкциями на реостатные испытания тепловозов не предусмотрены проверка и настройка характеристик дизель-генераторных установок и электрооборудования.

Имея данные о спектре нагрузочных режимов и характеристику удельного расхода топлива, можно прогнозировать и оценивать эксплуатационную экономичность тепловоза в ожидаемых условиях эксплуатации.

Проведено исследование влияния параметров распределения режимов работы ДГУ на топливную экономичность тепловозов. Результаты этого исследования представлены на рис. 1).

. Распределение

Математическое ожидание увеличения удельного расхода топлива К/, определяется по выражению:

м[Кь)=а'ах 2

V*1' 0)

где Кь=Ье1/Ь1т^ - степень увеличения удельного расхода топлива; а'-постоянный коэффициент, определяемый частотным режимом работы дизеля,

(2)

д» _ (ь.-ьс+у

здесь Ь - абсцисса вершины параболы; ¿>епЛ1 - ордината вершины параболы.

Использование выражения (1) позволяет для любого режима работы ДГУ тепловоза а^ определить степень увеличения удельного расхода топлива К/,. В

результате сделан вывод о том, что при изменении распределения режимов работы ДГУ будет изменяться и удельный расход топлива. При настройке тепловозной характеристики на реостатных испытаниях необходимо учитывать характер распределения режимов работы ДГУ и подстраивать уровень тепловозной характеристики так, чтобы удельный расход топлива был минимальным.

В разные годы значительный вклад в решение проблемы оптимизации режимов работы силовых установок тепловозов внесли Коссов Е. Е., Сухопарое

6

С. И., Фофанов Г. А., Кузьмич В. Д., Третьяков А. П., Тартаковский Э. Д., Фуфрян-ский Н. А., Хомич А. 3., Володин А. И. (ВЗИИТ), Володин А. И. (ОмГУПС) и др.

На основании проведенного анализа сформулированы цель и задачи исследования.

Вторая глава посвящена математическому описанию универсальных характеристик ДГУ тепловозов, посредством которого можно расчетным путем найти оптимальный уровень тепловозной характеристики исходя из заданных условий эксплуатации.

На основании универсальной характеристики тепловозных ДГУ составляется таблица (см. ниже) зависимости между удельным расходом топлива Ье и мощностью дизеля для каждого значения частоты вращения И/.

Зависимость мощности дизеля (Л^, кВт) от величины удельного расхода топлива и частоты вращения тепловозного дизеля

Частота вращения п, мин"1 Уровень удельного расхода топлива Ье, г/(кВт-ч)

Ьа К, Ьа Ьы Ь* Ъ*

Я| "г п, N," N» N: N: К" Ntn N: N." N: к'5 К2' Nt" N* N:* N- N:

По полученным данным строятся зависимости Ье ОТ Nt для каждого значения частоты вращения.

Аппроксимирующая функций =/"(iV£) выбрана в виде:

Ь^а.+а^+аМ. (3)

Коэффициенты d^, aj, А&для каждого значения п вычисляются с помощью метода наименьших квадратов:

ф= - "о - a>N4 - агЩ f => min- (4)

Из условия экстремума функционала Ф(Оо, Щ, аз) получается система уравнений для определения Ов, Oh СЦ'

В результате расчета получается семейство зависимостей Ье~/(Ме).

Полученная универсальная характеристика ДГУ, представленная в виде 6е=/(^е)> приводит задачу выбора оптимальной тепловозной характеристики к оптимизации по одному параметру.

Получены зависимости расхода топлива от мощности для каждого значения частоты вращения (преобразованная универсальная характеристика дизеля) по каждому типу дизеля (рис. 2).

882

N.

кВт 588 441 294 147 О

,= 750о<

650

550 .450 ""350

210 220 230 240 250 260г/кВт ч 280 &-►

Рис. 2. Преобразованная универсальная характеристика дизеля ПД1М

В результате расчетов получены зависимости вида для дизеля 10Д100 -

Ъе, = 327,8 - 0,375ЛГе, + 0,00034^;

Ъп = 326,8 - 0Д01//е, + 0,00009Л£;

(6) (7)

Ье1 = 335,2 - 0,162Ne¡ + 0,00005Л£; (8)

Ье4 = 3423 - 0,1 Ъ6Ие4 + 0,00004Л£; (9)

Ь^ = 353,6 - 0,120^ + 0,00003Л^; (10) для дизеля 5Д49 -

Ье1 = 307,6 - 0,588ЛГг, + 0,00085^,; (И)

^ =311,9-0,325^ + 0,00024^; (12)

Ъ„ =311, 8-0Д17ЛГ«, + 0,00011Л£; (13)

Ъ„ = 312,4-0,168ЛГе< + 0,00006Л£; (14)

Ъа =315,1 - 0,141^ + 0,00004Л£; (15) для дизеля ПД1М -

Ъе, = 356,8 -1Д97#4/ + 0,00314Л^; (16)

Ъег = 330,6 - 0,689ЛГЙ + 0,00102Л£; (17)

Ьез = 340,4 - 0,528^ + 0,00054^; (18)

Ь„ = 350,5-0,431^+0,00034^; (19)

Ьа = 372,6 - 0396//„ + 0,00026АГ^. (20)

Полученные расчетные значения имеют погрешность в сравнении с опытными универсальными характеристиками не более 1 %.

В третьей главе анализируются зависимости технико-экономических характеристик ДГУ от условий эксплуатации тепловозов на различных режимах работы. Из проведенного в работе анализа установлено, что снижение средне-эксплуатационной экономичности тепловоза в реальных условиях эксплуатации происходит в основном за счет не эффективной настройки ДГУ. Режимы работы и экономичность ДГУ в значительной мере определяются параметрами условий эксплуатации, что необходимо учитывать при создании, эксплуатации и обслуживании тепловозов.

Наибольшая экономичность тепловоза в эксплуатации достигается при работе по экономической или близкой к ней характеристике, поэтому возникает

необходимость сравнения существующих уровней тепловозных характеристик с наиболее экономичным.

Из проведенного в работе сравнения сделаны следующие выводы: верхний предел тепловозных характеристик располагается в среднем на 6,3 % ниже экономической для дизеля 1 ОД 100; на 1,2 % выше для 5Д49, на 12,9 % ниже для ПДШ;

нижний предел тепловозных характеристик располагается в среднем на 30,2 % ниже экономической для дизеля 1 ОД 100; на 11,9 % ниже для 5Д49; на 23,4 % ниже для ПДШ.

Настройку тепловозной характеристики дизель-генераторной установки необходимо производить так, чтобы последняя была максимально приближена к оптимальной с учетом условий эксплуатации тепловоза.

В четвертой главе разработана методика выбора оптимального уровня тепловозной характеристики ДГУ тепловозов исходя из условий эксплуатации.

Предложены критерии для выбора оптимального уровня тепловозных характеристик ДГУ тепловозов:

(21)

Тепловозную характеристику определяем в виде:

(22)

(23)

(24)

Уравнение (24) представляет семейство прямых (рис. 3), проходящих через опорную точку Dj (Neo, né). Предлагаемое уравнение зависит от трех параметров - Nié, né, М- В качестве опорной точки Dj (Neé, né) может быть выбрана либо точка D\ (Neo'\ п^), соответствующая минимальному расходу топлива (be(n) mil^, либо точка £>2 (NcJ2^ "о^Л соответствующая режиму малых нагрузок двигателя, либо точка £>з (Nto3\ п®), соответствующая номинальному значению мощности

В соответствии с уравнением (24) можно записать:

Л^Л'Ь-В^+ЛДО. (25)

В критерии качества входит величина Ьеп ее выражение в зависимости от мощности двигателя для каждого значение частоты вращения п1 имеет вид:

В г

Рис. 3. Принципиальная схема расчета: а - выбор опорных точек; б, в, г - расчет критериев по трем опорным точкам Множество значений параметра кф^ определяется по формуле:

Вероятность Р, находим по известной функции распределения плотности вероятностей /(Г), где Т - случайная величина, определяющая время работы дизеля в зависимости от частоты вращения п'

Подставляя выражения (25), (26) и (28) в расчетные формулы (21) - (23), получим для каждой опорной точки Д три множества значений критерия К/"^

Наименьшее из этих значений будет соответствовать оптимальной тепловозной характеристике дизеля. Данная методика расчета применима к любым типам ДГУ тепловозов.

В результате расчета оптимальной тепловозной характеристики, например, для ПД1М, получены следующие результаты (рис. 4):

при первой опорной точке критерий К3\ - 725,74 имеет минимальное значение при угле наклона к, равном 1,89, критерий Кэ2= 366,99 при угле наклона 2,09 и критерий К3$ =21,12 при угле наклона 1,42 (рис. 4, а). Наименьшее из этих значений получается по критерию К&, следовательно, линия к = 1,42 соответствует оптимальной тепловозной характеристике;

при второй опорной точке критерии Кэ\ — 396,35; Кц — 236,64; К,з= 10,17 имеют минимальные значения при угле наклона к, равном 2,74 (рис. 4, б). Наименьшее из этих значений получается по критерию К&, линия к = 2,74 соответствует оптимальной тепловозной характеристике;

при третьей опорной точке критерии Кэ | = 217,1 И К3з = 5,782 имеют минимальные значение при угле наклона к, равном 1,81, критерий Ка = 126,77при угле наклона 1,645 (рис. 4, в). Наименьшее из этих значений получается по критерию К&, следовательно, линия к = 1,81 соответствует оптимальной тепловозной характеристике.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что наиболее оптимальным для ПД1М является критерий (23), так как при всех опорных точках он дает минимум своего значения (при заданной частоте вращения И = 350 МИН-1).

Изменяя наиболее вероятную частоту вращения и (получая статистические данные для разных условий эксплуатации), получаем (по выбранному критерию (23) оптимальную тепловозную характеристику для заданных условий эксплуатации.

На основе спектра режимов работы ДГУ тепловозов ТЭМ2 по Омскому отделению ЗСЖД получена оптимальная тепловозная характеристика ДГУ ПД1М для тепловоза ТЭМ2.

Пятая глава посвящена оценке экономической эффективности применения рекомендаций по настройке оптимального уровня тепловозной характеристики. За счет применения рекомендаций по настройке оптимального уровня тепловозной характеристики тепловоза ТЭМ2 годовой экономический эффект составил 72852 р. на один локомотив.

12

Рис. 4. Оптимальные углы наклонадля ДГУ П Д Ш: а, б, в - при первой, второй и третьей опорной точке; А - внешняя характеристика; 1 - для критерия К3\',2- для К^', 3 - для Кя

В заключении сформулированы основные результаты и выводы по диссертационной работе.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведен анализ условий эксплуатации тепловозов на сети железных дорог Восточного региона России и получено распределение времени работы тепловозов в зависимости от климатических и нагрузочных условий эксплуатации.

2. Время работы тепловозов на восточном полигоне железных дорог в режиме холостого хода составило для ТЭМ2 65 %, 2ТЭ10М и 2ТЭ116 - 60 % от суммарного времени их эксплуатации. При этом непроизводительно расходуется более 8 % дизельного топлива от общего расхода на тягу поездов. В режиме нагрузки тепловозы ТЭМ2 наибольшее время (21 %) работают на 1-й - 4-й позициях контроллера, что соответствует мощности ДГУ 25 - 230 кВт, а тепловозы 2ТЭ10М и 2ТЭ116 - 30 % времени используют на 5-й - 11-й позициях при мощности 600 - 1350 кВт, на которой правилами ремонта тепловозов и инструкциями на реостатные испытания не предусмотрена проверка и настройка характеристик дизель-генераторных установок и электрооборудования.

3. Разработана математическая модель, описывающая универсальные характеристики ДГУ тепловозов, позволяющая получить аналитические зависимости вида где величины - параметры, зависящие от номера позиции контроллера машиниста (частоты вращении я). Математическая модель, представленная в виде приводит задачу выбора уровня тепловозной характеристики к оптимизации по одному параметру.

4. Определены математические зависимости удельного расхода топлива от мощности тепловоза для широкого спектра режимов работы ДГУ 1 ОД 100, 5Д49иПД1М.

5. Предложены критерии выбора оптимального уровня тепловозной характеристики, обеспечивающей минимальный расход топлива.

6. Разработана методика выбора оптимального уровня тепловозной характеристики.

7. Предложен оптимальный уровень тепловозной характеристики для заданных условий эксплуатации тепловоза ТЭМ2 на Омском отделении ЗСЖД.

8. Технико-экономический эффект от применения рекомендаций по настройке оптимального уровня тепловозной характеристики для заданных условий эксплуатации тепловоза ТЭМ2 на Омском отделении ЗСЖД составил 72852 р. на один локомотив.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах

1. Володин А. И. Режимы работы ДГУ тепловозов на восточном полигоне железных дорог / А. И. Володин, А. В. Чулков,О. В. Балагин, Хан Рён Ир // Вестник инженеров электромехаников железнодорожного транспорта: Межвуз. сб. науч. тр. с междунар. участием / Самарская гос. акад. путей сообщения. Самара, 2003. Вып. 1. С. 47.

2. Хан Рён Ир. Математическое описание универсальных характеристик дизель-генераторных установок тепловозов / Хан Рён Ир // Общие и комплексные проблемы технических и прикладных наук: Межвуз. сб. тр. молодых ученых, аспирантов и студентов / Сибирская гос. автомобильно-дорожная акад. Омск, 2004. Вып. 1. Ч. 1 С. 217.

3. Хан Рён Ир. Моделирование уровня тепловозной характеристики дизель-генераторных установок тепловозов / Хан Рён Ир // Совершенствование устройств подвижного состава, электроснабжения, автоматики и связи железнодорожного транспорта: Сб. науч. статей аспирантов университета / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2004. Вып. 5. С. 18.

4. Володин А. И. Оптимизация режимов работы дизель-генераторных установок тепловозов/А. И. Володин, В.Ф.Кузнецов, Хан Рён Ир // Повышение надежности, экономичности и экологичности дизельного подвижного состава: Межвуз. темат. сб. науч. тр. / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2004. С. 59.

5. Володин А. И. Выбор критериев оптимизации универсальных характеристик дизель-генераторных установок тепловозов / А. И. Володин, Р. Ю. Якушин, Хан Рён Ир// Методы и алгоритмы прикладной математики в технике, медицине и экономике: Межвуз. сб. науч. тр. с междунар. участием / Новочеркасский гос. ун-т. Новочеркасск, 2005. Вып. 5. С. 32.

Типография ОмГУПСа, 2005 г. 644046, г. Омск, пр. Маркса, 35. Тираж 100 экз. Заказ 295.

OS ¿Я-

Введение.

Ф 1 Анализ условий эксплуатации тепловозов.

1.1 Анализ климатических условий эксплуатации тепловозов.

1.2 Анализ режимов нагрузки тепловозов в эксплуатации.;.

1.3 Исследование влияния параметров распределения режимов работы ДГУ на топливную экономичность тепловозов и постановка задач исследования.

2 Математическое описание универсальных характеристик дизель-генераторных установок тепловозов.

• 2.1 Существующие способы математического описания универсальных характеристик.

2.2 Математическое описание универсальных характеристик.

2.3 Математическое описание универсальных характеристик наиболее распространенных типов дизель-генераторных установок тепловозов.

2.4 Исследование погрешностей при использовании математических моделей.

3 Моделирование уровня тепловозной характеристики дизель-генераф торных установок тепловозов.

3.1 Анализ зависимостей технико-экономических характеристик дизель-генераторных установок от условий эксплуатации тепловозов.

3.2 Сравнение существующих уровней тепловозных характеристик с наиболее экономичным.:.

3.3 Анализ возможностей изменения уровня тепловозной характеристики дизель-генераторных установок тепловозов.

4 Оптимальная настройка уровня тепловозной характеристики дизель-генераторных установок тепловозов в условиях эксплуатации. 4.1 Выбор критериев оптимизации универсальных характеристик дизельгенераторных установок тепловозов.

4.2 Выбор оптимального уровня тепловозной характеристики в зависимости от условий эксплуатации дизель-генераторных установок.

4.3 Настройка оптимального уровня тепловозных характеристик при реостатных испытаниях.

4.4 Рекомендации по оптимальной настройке тепловозной характеристики.

5 Экономическая эффективность применения рекомендаций по настройке оптимального уровня тепловозной характеристики.

Актуальность исследования. Железнодорожный транспорт является крупнейшим потребителем энергоресурсов. Затраты на топливно-энергетические ресурсы (ТЭР) составляют в целом по сети железных дорог России примерно 11,2 % от общеотраслевых эксплуатационных расходов, из них на тягу поездов расходуется 72,2 %.

В соответствии с программой «Энергетическая стратегия ОАО «РЖД» на период до 2010 г. и на перспективу до 2020 г.», разработанной во исполнение указаний МПС России № 187у от 26.11.02 и № 88у от 16.06.03, одним из направлений работы принято совершенствование тягово-энергетических характеристик локомотивов.

В условиях реформирования отрасли большое значение приобретают вопросы повышения эксплуатационных технико-экономических показателей современных тепловозов, от уровня настройки которых зависит количество потребляемого топлива. В связи с этим повышение топливной экономичности тепловоза в эксплуатации за счет его настройки является важной задачей.

Цель работы - разработка методики расчета и выбора оптимального уровня тепловозной характеристики дизель-генераторных установок (ДГУ) в зависимости от режимов работы и условий эксплуатации тепловоза.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи: проведен анализ условий эксплуатации тепловозов по сети железных дорог Восточного региона России и получено распределение времени работы тепловозов в зависимости от климатических и нагрузочных условий эксплуатации; разработана методика математического описания универсальных характеристик ДГУ тепловозов; определены математические зависимости удельного расхода топлива от мощности тепловоза для широкого спектра режимов работы ДГУ 1 ОД 100, 5Д49 и ПД1М; предложены критерии выбора оптимального уровня тепловозной характеристики, обеспечивающей минимальный расход топлива; разработана методика выбора оптимального уровня тепловозной характеристики; получена оптимальная тепловозная характеристика для заданных условий эксплуатации тепловоза ТЭМ2 на Омском отделении Западно-Сибирской железной дороги (ЗСЖД)', рассчитан технико-экономический эффект от применения рекомендаций по настройке оптимального уровня тепловозной характеристики для заданных условий эксплуатации тепловоза ТЭМ2 на Омском отделении ЗСЖД. Объект исследования - ДГУ тепловозов 2ТЭ10М, 2ТЭ116 и ТЭМ2. Основные методы научных исследований. Теоретические исследования по оптимизации тепловозной характеристики ДГУ выполнены на основе методов статистического моделирования, применения регрессионного анализа и метода наименьших квадратов. Обработка результатов математического моделирования выполнена с помощью ПЭВМ и программы МаШСАЕ).

Научная новизна. В диссертационной работе: получено распределение времени работы тепловозов в зависимости от нагрузки и климатических условий; разработана математическая модель универсальных характеристик ДГУ тепловозов, позволяющая получить аналитические зависимости вида Ье =/(Ие, а0, а¡, а^, где величины а0, а[, а,2 - параметры, зависящие от номера позиции контроллера машиниста (частоты вращения п). Математическая модель, представленная в виде Ье =/№ а0, а/, приводит задачу выбора оптимальной тепловозной характеристики к оптимизации по одному параметру; определены зависимости Ъе = /(Ые, а0, а2) для ДГУ 1 ОД 100, 5Д49 и ПД1М; предложена методика расчета оптимального уровня тепловозной характеристики для заданных условий эксплуатации тепловоза; предложена методика выбора оптимального уровня тепловозной характеристики.

Достоверность научных положений и выводов подтверждается использованием современных математических методов и оценкой адекватности разработанной математической модели. Полученные расчетные значения имеют погрешность в сравнении с опытными универсальными характеристиками не более 1 %.

Практическая ценность работы. Разработанная методика расчета и выбора оптимального уровня тепловозной характеристики позволяет для любых заданных условий эксплуатации тепловозов подобрать такой уровень настройки ДГУ на реостатных испытаниях, который обеспечивает минимальный расход топлива в эксплуатации.

Реализация результатов работы. Основные результаты работы и полученная оптимальная тепловозная характеристика для заданных условий эксплуатации тепловоза ТЭМ2 внедрены в локомотивном депо Омск ЗСЖД.

Апробация работы. Основные результаты исследований по оптимизации настройки ДГУ тепловозов докладывались и обсуждались на научно-технической конференции «Общие и комплексные проблемы технических и прикладных наук» (Омск, 2004); пятой международной научно-технической конференции «Методы и алгоритмы прикладной математики в технике, медицине и экономике» (Новочеркасск, 2005); научно-технических семинарах кафедры «Локомотивы» ОмГУПСа в 2003 - 2005 гг.

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в пяти научных статьях.

Структура и объем диссертации

Работа состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка использованных источников (106 наименований), содержит 54 рисунка и 35 таблиц. Общий объем работы - 177 страниц.

1 Анализ условий эксплуатации тепловозов

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем.1. Проведен анализ условий эксплуатации тепловозов на сети железных дорог Восточного региона России и получено распределение времени работы тепловозов в зависимости от климатических и нагрузочных условий эксплуа тации.2. Время работы тепловозов на восточном полигоне железных дорог в режиме холостого хода составило для ТЭМ2 65 %, 2ТЭ10М и 2ТЭ116 - 60 % от суммарного времени их эксплуатации. При этом непроизводительно рас ходуется более 8 % дизельного топлива от общего расхода на тягу поездов. В режиме нагрузки тепловозы ТЭМ2 наибольшее время (21 %) работают на 1-й • 4-й позициях контроллера, что соответствует мощности ДГУ 25-230 кВт, а тепловозы 2ТЭ10М и 2ТЭ116 - 30 % времени используют на 5-й - 11-й пози циях при мощности 600 - 1350 кВт, на которой правилами ремонта теплово зов и инструкциями на реостатные испытания не предусмотрена проверка и настройка характеристик дизель-генераторных установок и электрооборудо вания.3. Разработана математическая модель, описывающая универсальные характеристики ДГУ тепловозов, позволяющая получить аналитические за висимости вида be =f(Ne, ао, а J, ai), где величины ао, «у, «2 - параметры, за висящие от номера позиции контроллера машиниста (частоты вращения ri).Математическая модель, представленная в виде be = f(Ne, а^ aj, а2), приво дит задачу выбора уровня тепловозной характеристики к оптимизации по од ному параметру.4. Определены математические зависимости удельного расхода топли ва от мощности тепловоза для широкого спектра режимов работы ДГУ

10Д100,5Д49иПД1М.

5. Предложены критерии выбора оптимального уровня тепловозной характеристики, обеспечивающей минимальный расход топлива.6. Разработана методика выбора оптимального уровня тепловозной ха рактеристики.7. Предложен оптимальный уровень тепловозной характеристики для заданных условий эксплуатации тепловоза ТЭМ2 на Омском. отделении

8. Технико-экономический эффект от применения рекомендаций по на стройке оптимального уровня тепловозной характеристики для заданных ус ловий эксплуатации тепловоза ТЭМ2 на Омском отделении ЗСЖД составил 72852 р. на один локомотив.

1. Энергетическая стратегия железнодорожного транспорта // Локомотив, 2004. № 7. 2.

2. Чулков А. В. Повышение экономичности тепловозов с учетом режимов их работы на восточном полигоне железных дорог. Дис... канд. техн. наук. Омск, 1986. 195 с.

3. Беленький А. Д. и др. Эксплуатация тепловозов в различных климатических условиях / А. Д. Беленький, Н. И. Дмитриев, Ю. 3. Перельман и др. М.: Транспорт, 1971. 120 с.

4. Мухутдинов Г. Н. Исследование влияния температуры.воздуха на характеристики мощности тепловоза ТЭЗ / Сб. науч. тр. Ташкентского ин-та инж. ж.-д. трансп. Вып. 88. 1972. 3.

5. Хомич А. 3. и др. Диагностика и регулировка тепловозов / А. 3. Хомич, Г. Жалкий, А. Э. Симеон, Э. Д. Тартаковский. М.: Транспорт, 1977.222 с.

6. Развитие локомотивной тяги / Н. А. Фуфрянский, А. Нестрахов, А. Н. Долганов, Н. Н. Каменев, Э. А. Пахомов; под ред. Н. А. Фуфрянско-го, А. Н. Бевзенко. - М.: Транспорт, 1982. - 303 с.

7. Бескровный И. Г., Вилькевич Б. И. Вопросы улучшения контроля за состоянием силовой установки и повышение экономичности тепловозов / Сб. науч. тр. Ташкентского ин-та инж. ж.-д. трансп. Вып. 43. 1967. 29.

8. Кудряш А. П. и др. Резервы повышения экономичности тепловозов 2ТЭ10Л / А. П. Кудряш, Е. Г. Заславский, Э. Д. Тартаковский. М.: Транспорт. 1975, 64 с.

9. Хомич А. В. Эффективность и вспомогательные режимы тепловозных дизелей / А. В. Хомич. М.: Транспорт, 1979. 144 с.

10. Дизель-генератор 1А-9ДГ. Руководство по эксплуатации. М.: 1974.470 с.

11. Брук М. А. Инженерные основы эксплуатации / М. А. Брук. Л.: СЗЛИ, 1976.250 с.

12. Володин А. И. Экономия топлива на тепловозах / А. И. Володин, Г. А. Фофанов. М.: Транспорт, 1963. 103 с.

13. Исаев И. П. Экономия топлива на тепловозах в условиях Заполярья // Железнодорожный транспорт, 1978. № 3. 44.

14. Гизатуллин Р. К. Экономические показатели работы железнодорожного транспорта / Р. К. Гизатуллин, А. И. Шелеляев. Минск: Высшая школа, 1984. 208 с.

15. Гультяев В. Г., Павлович Е. О факторах, характеризующих условия использования тепловозов / Сб. науч. трудов Омского ин-та инж. ж.-д. трансп. Вып. 84. 1967. 51.

16. Испытания локомотивов и выбор рациональных режимов вождения поездов / Е. В. Горчаков, И. Я. Исаев, Н, Д. Максимов и др.; Под ред. И. Осипова. М.: Транспорт, 1975. 272 с.

17. Фуфрянский Н. А. Развитие тепловозной тяги / Н. А. Фуфрян- ский. М.: Трансжелдориздат, 1959. 67 с.

18. Третьяков А. П. Новые тепловозы и их технико-экономические характеристики. М.: Московский ин-т инж. ж.-д. транспорта, 1967. 35 с.

19. Развитие тепловозной тяги / Н. А. Фуфрянский, А. И. Володин, К. И. Домбровский, Н. А. Дроздов, Е. В. Платонов, Г. В. Попов; Под ред. Н. А. Фуфрянского. М.: Транспорт, 1969. 303 с.

20. Мережко В. Г. Основные резервы локомотивного хозяйства / В. Г. Мережко. М.: Транспорт, 1968, 168 с.

21. Справочник эксплуатационника / Под ред. Н. А. Гундобина. М.: Транспорт, 1971. 704 с.

22. Сухополъский А. Ф., Чуров А. И., Пойлов Л. К. Перспективы повышения среднесуточных пробегов локомотивов в грузовом движении / Сб. науч. трудов Ленинградского ин-та инж. ж.-д. трансп. Вып. 415. 1977. 53.

23. Статистика железнодорожного транспорта / Т. И. Козлов, Е. П. Леонова, А. А. Поликарпов и др.; Под ред. Т. Я. Козлова, А. А. Поликарпова. М.: Транспорт, 1981. 431 с.

24. Поликарпов А. А. Статистика железнодорожного транспорта / А. А. Поликарпов. М.: Транспорт, 1984. 232 с.

25. Паршин А. В. Высокопроизводительное использование тепловозов / А. В. Паршин, Л. И. Голубков. М.: Трансжелдориздат, 1957. 39 с.

26. Гультяев В. Г. Влияние режимов работы тепловозных дизелей на их экономичность и надежность / Сб. науч. трудов Омского ин-та инж. ж.-д. трансп. Вып. 123. 1971. 78.

27. Мурзин А. А. О влиянии параметров окружающей среды на работоспособность узлов тепловозов / Сб. науч. трудов Омского ин-та инж. ж.-д. трансп. Вып. 145. 1973. 35.

28. Костромин А. М. Оптимизация управления локомотивом / А. М. Костромин. М.: Транспорт, 1979. 119 с.

29. Толкачев А. В. Влияние условий эксплуатации на эффективность использования локомотивов / Сб. науч. тр. Ташкентского ин-та инж. ж.-д. трансп. Вып. 43. 1967. 10.

30. Корнев Н. Н., Фуфрякский Н. А. Топливная экономичность тепловозов в эксплуатации / Н. Н. Корнев, Н. А. Фуфрякский. М.: Транспорт, 1974.56 с.

31. Четвергов В. А., Чулков А. В. Исследование режимов работы тепловозных дизелей в эксплуатации / Межвуз. сб. науч. тр.: Исследование надежности и экономичности дизельного подвижного состава. Омск, 1978. 58.

32. Кудинов В. Режимы работы магистральных тепловозов // Экономия энергетических и материальных ресурсов в транспортном машиностроении / ЩШИТЭИ ТЯЖМАШ. Вып. 5. 1982. 8.

33. Фофанов Г. А., Пахомов Э. А., Лосев А. А. Режимы работы тепловозов и пути повышения их топливной экономичности // Вестник ВНИ-ИЖТ, 1983.№6.С.21.

34. Коссов Е. Е., Поварков И. Л. Исследование соответствия некоторых характеристик дизелей с высоким наддувом требованиям тепловозной тяги // Вестник ВНИИЖТ, 1975. № 3. 23.

35. Чулков А. В. Исследование времени работы и экономичности тепловозов 2ТЭ116 в различных режимах / Межвуз. сб. науч. тр.: Исследование надежности и экономичности дизельного подвижного состава. Омск, 1979. 42.

36. Правила деповского ремонта тепловозов типа ТЭЗ и ТЭ10. М.: Транспорт, 1966. 312 с.

37. Правила заводского ремонта тепловозов типа ТЭЗ и ТЭ10. М.: Транспорт, 1972. 286 с.

38. Кравчина И. П. Реостатные испытания тепловозов ТЭЗ в депо / И. П. Кравчина, Л. П. Ларионов. М.: Трансжелдориздат, 1960. 82 с.

39. Пупынин Г. А., Осипов В. Реостатные испытания тепловоза 2ТЭ10Л / Г. А. Пупынин, В. Осипов. М.: Транспорт, 1969. 78 с.

40. Б. Н. Струнге и др. Регулирование частоты вращения и мощности дизель-генераторов тепловозов / Б. Н. Струнге, П. М. Канило, И. М. Неве-лев, В. А. Рузов. М.: Транспорт, 1976. 112 с.

41. Гультяев В. Г. Исследование влияния эксплуатационных режимов работы тепловозных дизелей 11Д45 на их экономичность и надежность. Дис... канд. техн. наук. Омск. 1972. 154 с.

42. Третьяков А. П., Дружинин М. М. К вопросу оптимизации параметров настройки дизель-генераторов тепловозов / Сб. науч. тр. Ташкентского ин-та инж. ж.-д. трансп. Вып. 98. 1973. 40. *

43. Чулков А. В. Анализ статистической информации о нагрузке и экономичности транспортных дизелей // Статистические методы исследования функционирования сложных технических систем (качество, надежность, эффективность). М.: 1983. 286.

44. Третьяков А. П., Васильев В. Н. Экономичность тепловозных двигателей и способы ее повышения // Электрическая и тепловозная тяга, 1968. №4. 40.

45. Перминов В. А., Ефименко В. И. Загрузка дизель-генераторной установки тепловоза 2ТЭ116 в условиях Крайнего Севера // Тр. ВНИТИ. 1983. Вып. 58. 24.

46. Гарбузов Е. В., Винский В. Е., Кудрявцев В. А. Анализ режимов работы дизелей в условиях эксплуатации на промышленных и маневровых тепловозах // Тр. ЦНИДИ. 1979. Вып. 76. 103.

47. Хомич А. 3. Повышение экономичности тепловозов большой секционной мощности // Электрическая и тепловозная тяга, 1976. № 4. 40.

48. Сравнение показателей использования и экономичности тепловозов 2ТЭ116 и ТЭЗ / В. П. Парамзин, В. А. Четвергов, А. В. Чулков, Г. В. Шатунов // Исследование надежности и экономичности дизельного подвижного состава. Омск, 1979. 3.

49. Справочник по теории вероятностей и математической статистике. М.: Наука, 1985. 640 с.

50. Справочник по специальным функциям. М.: Наука, 1979. 830 с.

51. Володин А. И. и др. Локомотивные энергетические установки. М.: Желдориздат, 2002. 715 с.

52. Володин А. И. Методологические основы оценки и управления техническим состоянием тепловозов в эксплуатации: Дис... д-р. техн. наук. Омск, 1990. 482 с.

53. Симеон А. Э. Тепловозные двигатели внутреннего сгорания / А. Э. Симеон, Хомич А. 3. М.: Транспорт, 1987. 535 с.

54. Пойда А. А. Тепловозы: механическое оборудование, устройство и ремонт / А. А. Пойда, Н. М. Хуторянский, В. Е. Кононов. М.: Транспорт, 1988. 320 с.

55. Костин А. К. Работа дизелей в условиях эксплуатации / А. К. Костин, Б. П. Пугачев, Ю. Ю. Кочинев. Л.: Машиностроение, 1989. 285 с.

56. Фофанов Г. А., Пахомов Э. А., Лосев А. А. Режимы работы тепловозов и пути повышения их топливной экономичности // Вестник ВНИ-ИЖТ, 1983.№6.85с.

57. Эпштейн А. Переменные режимы работы двигателей с газотурбинным наддувом / А. Эпштейн. М.: Машгиз, 1962. 207 с.

58. Тепловозы. Конструкция, теория и расчет. Под. ред. П. И. Панова. М.: Машиностроение, 1976. 544 с.

59. Экономия дизельного топлива и электроэнергии на локомотивах. М.: Транспорт, 1971. 25 с.

60. Болховитинов Г. Ф., Белостоцкий А. М. Эксплуатационные режимы дизелей маневровых тепловозов // Железнодорожный транспорт, 1966. № 12, 45.

61. Покровский А. Н. Эксплуатация автомобилей с карбюраторным двигателем в условиях низких температур / А. Н. Покровский, А. А. Букин, Д. Ф. Гаврилов. М.: Автотрансиздат, 1961. 25.1 с.

62. Микулин Ю. В. Пуск холодных двигателей при низкой температуре / Ю. В. Микулин, В. В. Карницкий, Б. А. Энглин. М.: Машиностроение, 1971. 216 с.

63. No easy answers in the search for fuel economy // Railway Gazette International, 1975. № 2. P. 54.

64. A. Fenlner. EntwicKlung der Kuhlanlagen in den DieselloKomotiven der Deutschen Bundesbahn // Glasers Annalen, 1974. № 3. S. 71.

65. Задачи и оборудование отделения двигателей внутреннего сгорания исследовательского центра в Мюнхене // Бюллетень технико-экономической информации МПС, 1973. № 1. 15.

66. К. КбЫег, Н. Miiller, G. Pohle. Untersuchungen am Kuhlkreislauf der BR 120 im Zusammenhang mit dem E inbaueiner zusatzlichen Kuhlwasse-rumalzpumpe // Schienenfahrzeuge, 1973. № 2. S. 57.

67. Палихов A. M., Евдокиенко В. И. Об одной из причин появления трещин в цилиндровых гильзах дизеля Д100 // Электрическая и тепловозная тяга, 1969. № 12. 12.

68. Дизели: Справочник / Под ред. Р. Н. Михеева, Г. Г. Степанова, П. М. Юркевича. М.: Машиностроение, 1965. 600 с.

69. Тепловозные двигатели внутреннего сгорания: Учеб. для вузов / А. Э. Симеон, А. 3. Хомич, А. А. Куриц и др. М.: Транспорт, 1987. 536 с.

70. Тепловоз 2ТЭ116. Руководство по эксплуатации и обслуживанию. М.: Транспорт, 1983. 358 с.

71. Тепловоз 2ТЭ10В. Руководство по эксплуатации и обслуживанию. М.: Транспорт, 1975. 432 с.

72. Пути снижения расхода топлива тепловозами в северном регионе эксплуатации. М.: Транспорт, 1991. 56 с.

73. Регулирование частоты вращения и мощности тепловозов. М.: Транспорт, 1982. 235 с.

74. Микулин Ю. В. Пуск холодных двигателей при низкой температуре / Ю. В. Микулин, В. В. Карницкий, Б. А. Энглин. М.: Машиностроение, 1971.216 с.

75. Гогин А. Ф. Судовые дизели / А. Ф. Гогин. М.: Транспорт, 1988. 439 с.

76. Володин А. И. Двигатели внутреннего сгорания, тепловозные дизели и газотурбинные двигатели / А. И. Володин. М.: ВЗИИТ, 1981. 40 с.

77. Костин А. К. Работа дизелей в условиях эксплуатации / А. К. Костин. Л.: Машиностроение, 1989. 285 с.

78. Беленький А. М. Топливо и смазочные материалы / А. М. Беленький. М.: Высшая школа, 1984. 88 с.

79. Иванов В. П. Технология ремонта тепловозов / В. П. Иванов. М.: Транспорт, 1987.-335 с.

80. Косов Е. Е., Сухопаров И. Оптимизация режимов работы тепловозных дизель-генераторов // Труды ВИИИЖТ. М.: Интекст, 1999. 184 с.

81. Соколов С, Власов Л. И. Выбор, оптимальной по экономичности тепловозной характеристики // Двигателестроение, 1980. № 10. 3.

82. Белан А. П. Оптимальные режимы эксплуатации промышленных тепловозов // Промышленный транспорт, 1984. № 12. 17.

83. Кудряш А. П. Надежность и рабочий процесс транспортного дизеля / А. П. Кудряш. Киев: Наукова думка, 1981. 136 с.

84. Глаголев Н. М. Тепловозы / Н. М. Глаголев. М.: Гострансп. ж.-д. издат, 1948. 388 с.

85. Васильев В. Н. Эксплуатационная экономичность тепловозных дизелей с учетом переходных процессов // Труды МР1ИТ, М.: Транспорт, 1978. Вып. 61 I .e . 27.

86. Баранов Н. А. Особенности процесса разгона двухтактного дизеля с газотурбинным наддувом // Двигатели внутреннего сгорания. М.: НИИинформтяжмаш, 1965. № 10. 49.

87. Севрук И. В., Эпштейн А. Критерии оценки переходных процессов двигателей внутреннего сгорания // Двигатели внутреннего сгорания. Харьков: 1971. № 12. 50.

88. Леонов И. В. Оптимизация разгона силовых установок с двигателем внутреннего сгорания // Двигатели внутреннего сгорания. Харьков: 1982.№35. 54.

89. Косов Е. Е., Копыленко В. А. Влияние технических характеристик тепловозов на эффективность работы железнодорожной линии // Труды МИИТ. М.: Транспорт, 1982. Вып. 715. 116.

90. Остапенко Г. И., Долганов К. Е. Определение внешней скоростной характеристики по заданному пределу дымности отработанных газов автотракторного дизеля с турбонаддувом // Двигателестроение, 1984. №

91. Леонов И. В. Формирование критериев оптимальности быстродействия машинного агрегата с двигателем внутреннего сгорания // Известия Вузов. М.: Машиностроение, 1982. № 7. 78.

92. Постановление правительства РФ от 05.08.92 № 552 «Об утверждении положения о составе затрат по производству и реализации продукции, включаемых в себестоимость продукции, и порядке формирования финансовых результатов».

93. Методика расчета эффективности инноваций на железнодорожном транспорте. М.: МПС, 2000. 64 с.

94. Организация, нормирование и оплата труда на железнодорожном транспорте: Учеб. для вузов / Ю. Д. Петров, М. В. Белкин, В. П. Катаев и др.; Под ред. Ю. Д. Петрова и М. В. Белкина. М.: Транспорт, 1998. 279 с.

95. Методические рекомендации по обоснованию эффективности на железнодорожном транспорте. М.: ВНРШЖТ МПС, 1999. 230 с.